1、光学设计指引贴目录一、预备知识 4一、概述 5二、舞台变焦投影系统 .5三 长操作集编辑问题 .9四 补充说明 10二、 预备知识 10一、概述 11二、长操作集编辑实例 .12三、照明设计指引贴 14四、对成像镜头设计质量的评估 .14一 象质要求 15二 光能要求 16三 畸变要求 17四 色差要求 17五 工艺性要求 17玻璃材料要求 21五、架构分析方法 .21一 架构原理 22二 架构图分析 22三 架构调整 23四 架构调整 2 .25五 合理架构及其分析 .26六 PBS 棱镜处聚光镜设计 26七 LED 聚光镜设计 .27八 组合设计 28九 小结 32六、ZEMAX 中的宏解
2、析 32一 综述 32二 ZEMAX 文件夹中的宏编程样例解析 33二 ZEMAX 文件夹中的宏编程样例解析 39七、ZEMAX 中棱镜建模与优化 41一 样例 41二 在 AUTOCAD 中作图 421 在 AUTOCAD 图示楔镜断点设置 .422 调整楔镜断点平移量 433 调整等腰直角棱镜断点平移量 444 聚焦校正 44三 小结 45一 标准 45反射镜光路设置 45二 反射光线出射角的调整 .46三 设计 DM 合色镜方法 .461 前工作面倾角调整 .462 添加楔镜远离复眼的反射面 .473 透过光路的确定 .48一 标准化样例 48二 空间棱镜优化原理 .49八、镜头样例图集
3、 .50九、非序列照明系统优化 .54一 关于非序列操作数分类 .541 非序列物体数据的约束 .542 非序列光线追迹和探测操作数 .55二 非序列系统的优化 .55.57一 概述 57二 教程要点 571 进入纯非序列，进行单位设置。 .574 创建接收器 594 创建标准透镜 .615 光线跟踪分析和极化分析 .636 添加矩形 ADAT 光纤 64如何创建一个简单的非顺序系统 .65.85一 概述 85二 非序列项目 86三 非序列优化 861 清所有探测器 862 非序列光线追迹 .873 探测器上光线能量的优化 .873 非序列光线优化过程 .87ZEMAX 中如何优化非序列光学系
4、统 翻译 88混合式非序列 (NSC with Ports) zemax .1011-1 混合式非序列 .1011-2 例子混合式非序列 .1021-3 出口埠 .1041-4 非序列组件 .1051-5 对象属性 .1061-6 非序列性透镜对象 .1071-7 复制对象 .1071-8 定义多焦透镜 .1081-9 表面折射 .1081-10 空气透镜 .1091-11 调整焦距参数 .1101-12 多焦透镜 .1101-13 运行优化 .1111-14 带状优化 .1121-15 目标局部 .1141-16 光线目标 .1151-17 系统性能 .1151-18 运行影像分析性能之优化
5、 .1161-19 设罝变数 .1171-20 最终设计 .117十、TO5 DM 镜功能在 TracePro 中的模拟 118十一、光源文件及应用 .126十二、在 ZEMAX 中理想光学系统合理架构的快速搭建 实例 1 .1321 在 ZEMAX 中理想光学系统合理架构的快速搭建 1322 “1-原态.ZMX”抽取框架 .1353 创建等效架构 1364 创建等效架构 .1365 PWC 公式汇集 .136十三、在 ZEMAX 中对已知透镜求其 PWC 1411 在 ZEMAX 中 PWC 法输入数据读取位置 1422 优化设置参考表适用说明 143A 线性校正要求 143B 线性校正要求
6、操作 .1443 用等效 mathmetica 算式校验 .1504 结论 150十四、ZEMAX 中理想单镜 PWC 法求解( 实例 5） 1511 镜 PWC 法结构求解用公式 1512 将上公式组移植到 ZEMAX 中 1527 用 mathmetica 校验（单镜与系统初级赛特系数校核） .155十五、 ZEMAX 上双胶镜 PWC 法优化设计（双胶镜部分） .156一 双胶镜 PWC 法结构求解用公式 .156二 移植 6 双胶镜实体化算式 .1581 创建初态双胶镜实体化架构文件 .1582 编写双胶镜实体化操作集 .160十六、双胶实体化模块应用实例-低倍显微镜头设计 170一
7、低倍显微物镜设计要求 .170二 光路设计要求 .1701 几何像差设计要求 .1702 传函要求 170三 棱镜初级像差 .171三 用单镜实体化操作集优化 .171四 优化结果工艺评估 .172五 小结 173十七、镜头实体化模块优化小结-中等视场，中等口径变焦镜头设计2 倍变焦镜头 .174一 规划 1741 样例 1742 重新调整设计要求 .1743 测绘系统数据 1744 初步优化 1755 变焦规划 175二 PWC 优化 1771 胶合镜问题 .1772 创建架构 177三 在 ZEMAX 和 CODE V 间往返优化 .1821 优化结果 182三 相关问题 187四 PWC
8、 法小结 188十九、光学系统塑料热补偿设计技术详解 .189一 ZEMAX 中塑料热补偿设计操作 189二 热补偿项说明 .189三 其它热补偿项说明 .190四 具有热效应材料的折射率修正问题 .190一、预备知识前言：今天借贴 1 聊聊光学镜头的优化设计问题，这也是多数光学同行所关心的问题。 对光学镜头的优化，不同的光学系统，光学设计的不同阶段，不同的人有各自的方法，很难说那种方法最优。这里介绍的方法，是绝大多数光学设计者所没有用过的，但在复杂的变焦系统中，却是行之有效的优化利器，在此抛砖引玉，希望能使镜头设计更上一层楼。另外该贴还介绍了物距不同，象方成像有轴向分离的三个位置的变焦系统，
9、该系统设计时有 15 重结构，这在变焦系统中也算较复杂类。这类变焦系统的成像质量应如何全面评估？这可能也是大家感兴趣的问题。 如果将上两个问题放在一起讨论，又会碰出是么样的火花？我们试目以待.。 一、概述该帖介绍舞台投影变焦系统的光学性能约束要求，重点是提出超长操作集的高效编辑问题，让网友了解高效编辑对提高运行效率的重要性。二、舞台变焦投影系统1、 光路图见图 1图 12、 技术要求图 1 是物距不变时，只对像方三个图案盘位置分别调焦，在每个图案盘处要能进行长中短变焦。对图案盘 1 变焦时，系统总长 =450mm；对图案盘 2 变焦时，系统总长=455mm；对图案盘 3 变焦时，系统总长=46
10、0mm （比要求的 470mm 短，允许）。如果系统要能对 5 米20 米成像都清楚，还应增加哪几重结构？初步设计结果见“贴 1-例 1.ZMX”，应如何评估此系统，详见“3 系统评估”。（波长 620,550,450；Real Image Height：17.5mm；像空间 F/#=1.2）# Type Radius Curvature Thickness GlassSemi-Diameter0 STANDARD #DIV/0! 0.00E+00 10000000000.000 0.00 1 STANDARD -725.491 -1.38E-03 10.000 1.76, 27.6, 0 8
11、2.00 2 STANDARD 177.170 5.64E-03 0.500 82.00 3 STANDARD 180.750 5.53E-03 37.901 1.62, 60.3, 0 82.00 4 STANDARD -409.067 -2.44E-03 0.474 82.00 5 STANDARD 122.938 8.13E-03 36.615 1.74, 44.9, 0 82.00 6 STANDARD 696.733 1.44E-03 5.556 82.00 7 STANDARD -230.753 -4.33E-03 6.000 1.62, 60.3, 0 46.62 8 STAND
12、ARD 70.601 1.42E-02 19.551 40.30 9 STANDARD -118.841 -8.41E-03 6.000 1.62, 60.3, 0 40.30 10STANDARD 94.876 1.05E-02 21.036 1.81, 25.5, 0 42.78 11STANDARD 991.905 1.01E-03 102.051 43.31 12STANDARD 488027.970 2.05E-06 18.094 1.75, 33.8, 0 55.39 13STANDARD -169.710 -5.89E-03 0.500 55.97 14STANDARD 174.
13、973 5.72E-03 32.105 1.53, 65.1, 0 53.13 15STANDARD -96.453 -1.04E-02 6.000 1.81, 25.5, 0 51.27 16STANDARD -297.336 -3.36E-03 0.500 50.21 17STANDARD #DIV/0! 0.00E+00 7.349 45.70 18STANDARD 87.887 1.14E-02 21.275 1.74, 44.9, 0 49.13 19STANDARD 738.662 1.35E-03 1.535 47.30 20STANDARD -2330.335 -4.29E-0
14、4 14.513 1.81, 25.5, 0 47.30 21STANDARD -170.257 -5.87E-03 0.500 45.31 22STANDARD -168.400 -5.94E-03 6.000 1.81, 25.5, 0 44.80 23STANDARD 74.537 1.34E-02 5.137 39.40 24STANDARD 125.784 7.95E-03 18.059 1.74, 44.9, 0 39.40 25STANDARD -224.223 -4.46E-03 12.903 38.95 26STANDARD #DIV/0! 0.00E+00 55.000 3
15、4.04 27STANDARD #DIV/0! 0.00E+00 0.000 17.61 28STANDARD #DIV/0! 0.00E+00 0.000 17.61 3 系统评估这是对物方无限远的变焦系统，与一般变焦不一样的的是要对彼此分离 5mm 的图像盘都能清晰成像。由于系统要求对 520 米远都能投出清晰像，因此是牵涉到物距变化的调焦，像距变化（对准不同图案盘）的调焦。这是个双调焦变焦系统，设计上是较复杂的。下面是对初步设计结果的评估（即对投影距离固定的变焦设计结果的评估），如果没有问题了，才可以进行下部设计。下面是系统评估：变焦镜头设计参数型号 开发编号序号 分类 规格要求 设计结
16、果1 最小分辨格 0.5mm 0.35mm2 色片盘 9+1 3 旋转图案盘 1pcs（7+1） 4 固图案盘 1pcs（10+1） 5 图案盘间距 5mm 10mm（3 个）6 图案尺寸 白光孔径：34；有效图案：32有效图案：327 出光全角 1350（初定） 13408 光路总长 420mm（初定） 470mm9 变焦范围 50200mm 53200mm10 透镜规格 数量少，质量轻 13 片11 后截距 50mm 50mm3 传函传函目标值是由小于 3弥散要求算出的，现计算如下：1 短焦传函要求最小象元=55.1*Tan3=0.048mm ，传函频率=1/(2*0.048)=10.4l
17、p/mm 。2 中焦传函要求最小象元=120.6*Tan3=0.105mm，传函频率=1/(2*0.105)=5lp/mm。3 长焦传函要求最小象元=200.1*Tan3=0.175mm，传函频率=1/(2*0.175)=3lp/mm。1 对于舞台投影系统，属于大像差系统，其传函理论评估 MTF0.3 的频率，即可代表此时的传函频率。2 由设计传函可知，除短焦传函频率低于计算出的目标传函外，其它传函的频率应远高于目标传函（因为以目标频率考核时，其 MTF 远高于 0.3）。3 其工艺传函（考虑所有公差的传函），在制定考核频率下，MTF0.15 即可，观察中焦，中间图案盘，其工艺传函是观察 0.
18、98 概率下的 MTF=0.31，它远大于 MTF0.15 的要求。从 MTF 看，系统在下步设计时，应侧重在短焦像质的优化，中长焦 MTF 远高于要求值。4 焦深评估：设光轴与图案盘垂直偏差不大于 20，这样焦深应（2）GEO 优化（增加 TRAR 约束）（3 ）波差优化（增加波差优化）（4 ）增加传函优化（最好是几何传函 ）- （5 ）传函优化（最好是几何传函 ） 多重结构（只变焦，不调焦） （5 ）多重结构（变焦，调焦） （6 ）温度折射率与热膨胀优化。 传函优化在初期多采用不等式约束，以减少矛盾制约。 7 长操作集只会提高效率，但必须使各约束间的矛盾尽量小，这方面影响最大的是初始结构的
19、合理性。 一、概述在复杂光学系统设计中，许多性能校正是彼此有冲突的，如何平衡好各方面的矛盾，是个棘手问题。不少人是通过更改操作数，调整其数值，权重来校正的，由于操作集过长不好编辑，也不好平衡权重而放弃了这方面的尝试，从而使校正摇摆不定，不能很快的得到好的校正结果。长操作集可控制参数多，各种需要控制的性能在里面，只需要调整目标值和权重即可，而不必删减，增加操作集（这样可避免遗忘操作控制项）。对长操作集的编辑控制是门学问，它有许多内在的规律与技巧需要我们去摸索，在这里介绍的方法，只是其中的一小部分。一个好的长操作集可用于各种光学系统中，从而使操作集可局部标准化，从长远看反倒能加快系统的控制。另外长
20、操作集是从全方位上控制系统的光学性能校正，因此能很好的平衡系统校正的多方面矛盾，使系统校正避免了摇摆不定，加快了系统校正步伐，提高了校正速度，对复杂的变焦系统尤其是这样。长操作集用于光学系统校正后期，以达到全方位控制光学系统设计的目的。在初始设计光学系统时，并不能用上长操作集，它是在系统设计过程中，逐步累积出来的，对应着外形设计，初步像差设计，加入传函设计，系统多重结构化，精细控制，全方位控制得到的。我们不要以为全方位控制会降低效率，即使经验丰富的光学设计师也不可能用极少的操作集很好的控制一个复杂的系统的稳定校正，有了长操作集的概念及编辑方法，才能使全面稳定校正成为可能。关于这方面的详细论述，
21、将在后续的光学设计中逐步涉及到。长操作集中的权重是最关键的，它的给定也是上面各步优化累积得到的，并在长操作集优化过程中批量进行修改。在第 3 种情况下，长操作集由于控制全面，因此运行时间长，但用好时此方法是很稳定的（即规律明显），不必中间经常光顾它，在样例的一个循环大致要运行近 1520 分钟，这段时间我们可以做别的事情，我的光学系统设计总结就是利用这部分时间完成的（轻松完成）。长操作集的控制编辑思想在前面步骤产生的短操作集中也可应用，这会极大的提高校正速度。二、长操作集编辑实例1 DLP 复眼后续照明光路文件“贴 2-例 1.ZMX”是 DLP 复眼后续照明光路，假设采用 0.24 英寸 D
22、MD，长宽比=4:3 ，则对角线长=0.24*25.4=6.1mm ，长边长=6.1*4/5=4.9mm，短边长=6.1*3/5=3.7mm，考虑DMD 光照区单边应用 0.2mm 余量，以便工艺校正。这样的 DMD 位置光照区尺寸=5.3*4.1mm（这个尺寸以矩形通孔方式设置在 DMD 工作面）。由图可见出射光斑的弥散还比较大，即光照区周界不够清楚；再有这个光路在 X 向，Y 向的 F#=2.4。它只考虑了 DMD 的 12开关角的限制，没有考虑在其垂直方向没有开关角的限制，可以增大相对口径，使 DMD 得到更大照明。为此重设置了 X 向 F#=2.4，Y 向 F#=1.8，及优化函数。优
23、化结果存成 “贴 2-例 2.ZMX”，这是一个典型的 DLP 复眼后续系统光路优化设置（其特点是光路非旋转对称），其前提是中心光束出射主光线角在 2527之间（这个问题不在本课题之内，以后再谈）。2 长操作集编辑接着上文，假定上结构是一个完好照明光路的部分，并打样通过。在小批量试制中，发现校正过程中，DMD 光照区余量不够，希望单边再增大 0.1mm 余量。这个问题应如下解决。将优化操作集 TRAC 改成 REAR（注意一个 TRAC 命令需追迹 20*12=240 条光线，而一个REAR 命令只追迹一条光线，这在复杂变焦系统中是非常值得注意的），更改方法见长操作集编辑说明。由于要求 DMD
24、 光照区由 5.3*4.1mm 改成 5.5*4.3，能不能用扩大物方视场角的方法达到要求，这是不允许的，因为系统打样过了，即复眼出射视场角是不变的，只允许更改图 1 的两个聚光镜（外径及两镜间隔不变）。我们可考虑：DMD 光照区由 5.3*4.1mm 改成 5.5*4.3，其中 4.1 变到 4.3，放大率4.3/4.1=1.05。载入“贴 2-例 2.ZMX”将系统放大 1.05 倍F6更新提取现场数据存成1.MF。用 EXCEL 载入 1.MF将：A TRAC 改成 REAR（这部分借用笔记本的全部替换功能进行操作）。、B TRAC 的面序号列全是 0,代表像面；但改成 REAR 就代表
25、物面了。因此面序号列全改成21，指向像面（这部分借用笔记本的全部替换功能进行操作）。C 操作数现场值列复制粘贴到目标列。D 控制转到“笔记本”软件页面 再存成 3.MF。取没有放大 1.05 的结构载入 3.MF优化后存成“贴 2-3.ZMX”。下面侧重在 EXCEL 的编辑操作。以上操作详述如下：（2 ） 长操作集编辑具体操作步骤如下：载入“贴 2-例 2”F6存成“1.MF”。打开 EXCEL，载入“1.MF ”，具体操作如下：控制转到 ZEMAX，载入“2.MF ”，新编辑的 2.MF 载入成功，体会下长操作集的编辑，是很爽的。以上完成了操作集中，TRAC 操作数改成 REAR 的操作，
26、使计算量减小了上百倍，这在复杂变焦系统中十分重要。接着将系统乘 1.05 倍更新将操作集存成“1.MF”。关闭 EXCEL再打开 EXCEL 用图 2 方法将“1.MF”载入 EXCEL 中，清空操作数目标列，复制操作数现场数据列，粘贴到目标列，全选，复制。以上完成了在 EXCEL 中提取现场操作数的操作删除粘贴存成“3.MF”，此时“3.MF”就是控制光照区达到 5.5*4.3 的优化操作集。为了验证操作集是否正确，控制转到 ZEMAX，重新载入“ 3.MF”，开启优化钮，优化函数为 0,说明长操作集将现场数据列复制到目标列的操作成功（注意：此时由于前面的操作保证了操作集的目标列= 现场列，
27、因此优化时优化函数必为零，如果不是零，则前面的操作有问题）。重新载入“贴 2-例 2”，载入“3.MF”，点击优化钮，优化函数不为零，这是因为系统此时未乘 1.05,优化后，将像面尺寸设置成 5.5*4.3 进行观察，光照区恰好充满，说明优化准确到位，存成“贴 2-例 3”。说明：A 上面的长操作集编辑只是着重在体会，具体的技巧是非常多的。B 这里光斑的放大，不允许间隔与外径变化，因为光机结构已确定了，所以直接放大是不允许的。C 观察不同视场的弥散大小，发现大视场弥散小，小视场弥散大，可以将现场操作数值列的弥散斑，根据需要缩小不同倍数，再优化。这种操作如果不在 EXCEL 中进行，是很难完成的
28、。三、照明设计指引贴上两贴以镜头设计为例介绍了长操作集的作用与编辑，此处介绍的是以能量观点进行评估的照明系统的设计。照明系统的设计牵涉到的是千变万化，光怪陆离的世界，要总结出一套适应各种情况的统一规律又谈何容易？但又非无迹可寻：这就是要从全局出发，把握照明系统各组元间的衔接规律，调整好矛盾，平衡好利弊，有舍有取。这里最重要的的是要有合理的初始结构，其它问题才能迎刃而解。本贴给出许多的基本上是好的照明系统样例，它可作为我们设计照明系统的初始结构。希望大家能从全局高度去观察，才能找出内在规律，用缩放，拆卸，组合的方法，尽量扩大样例的实用范围。为了便于大家活用样例，在培训教材中“第五章 LCOS 照
29、明系统设计 ”，“第六章 DLP 照明系统设计”两章，以实例介绍了从全局出发，把好各组元的衔接关口，尽量减少组元间性能上的相互干涉，使各组元顺畅的组合成高效，高质量的整体。照明系统的色域匹配是影响照明系统能量利用率和色性能指标的最重要处，但往往因认识不足被人们忽略，或因其难于驾驭而放弃。其造成的能量损失超过 20。但由于其牵涉问题太多，问题讲述清又需花费较长篇幅，它与详尽解析清塑料热补偿设计一样（指理论上搞清，而非简单应用，简单应用在培训教材“第八章 塑料非球面镜头设计”介绍），只能放到专门的培训课中讲述。“兵无常势，水无常形”，我们提供的样例是死的，但利用它们的人是活的：从大局着眼，各组元入
30、手，做好衔接平衡就是破局的捷径。见“照明系统样例集成.pptx”四、对成像镜头设计质量的评估不少光学设计同行感到镜头设计不好掌握，其实多数是对镜头设计达到什么状态就算好的把握不住。镜头设计的目标值定的过低，以致于设计出的镜头总是不理想，同时也失去了进一步提高的动力。目标也不能定的太高，使系统复杂化，成本过高，得不偿失。镜头成像质量是其最重要的性能指标之一，应从：MTF 要求（频率要求、高中低频的MTF 要求、色频率要求、MTF 视场一致性要求、MTF 温度要求、调焦 MTF 要求、变焦 MTF要求、），弥散要求，焦深要求，光能集中度要求，视场均匀性要求，畸变要求（DIST 畸变要求、TV 畸变
31、要求），色差要求，公差要求，工艺性要求（中心边缘厚度差要求、单镜两半径同心性要求、中心边缘厚度要求、成本要求、玻璃加工软硬度、耐酸性等）来全面评估镜头。在这里的评估指标对各种成像镜头基本上都适用，其中使用在不同场合的镜头所需另外的约束，不在小结中，请根据各系统的性能要求添加合理约束。一 象质要求1 MTF 要求(1) 常用条件下的传函要求常用条件是指物距除两端点、变焦除两端点（五点变焦）、温度除两端点、最佳像面处的传函要求：频率（CMOS、CCD 、LCOS、DMD 上）1/（2*最小象元直径）MTF50%(接收器各点处)频率（目视系统像面处，对应出射角3的弥散，其直径定为最小象元直径） 1/
32、（2*最小象元直径）MTF30%（舞台投影镜头），MTF50%(小视场广告投影镜头)。(2) 两端条件下的传函要求指物距两端点、温度两端点、变焦两端点（五点变焦）、最佳像面处的传函要求：MTF（CMOS、 CCD、LCOS、DMD 上）40%( 接收器各点处 )对于舞台投影镜头，由于不能用塑料镜头，故热变形，热折射率变化均不考虑，各物距调焦后的传函 MTF30%。(3) 焦深要求由弥散斑确定的焦深当弥散光线散布方均根植 RMS 不大于最小象元直径时，象由点组成，成像是清楚的，下面计算的弥散半径(RMS)等于最小象元直径的像面的离焦尺寸：F#F/ 入瞳，对应轴向光束投射角 QArcTan【( 入
33、瞳/2)/ F】ArcTan 【1/(2*F#)】，设 F 1.8，则 QArcTan 【1/(2*F#)】ArcTan 【1/(2*1.8)】15.5假定计算出的最小象元尺寸0.008mm，则由弥散斑确定的焦深0.008/Tan15.5 0.028mm。如果 F#1.5，QArcTan 【1/(2*F#) 】ArcTan 【1/(2*1.5)】18.4假定计算出的最小象元尺寸0.008mm，则由弥散斑确定的焦深0.008/Tan18.4 0.024mm。由透镜对正要求确定的焦深焦深由光轴对成像面的垂值偏差所决定，允许10。在焦深范围内 MTF20%.例如 0.46 英寸的 DMD，如果最大视
34、场角25，那么 F (0.46*25.4/2)/Tan2512.53，因此光轴对成像面的垂值偏差10时，引起 DMD 角顶对中心点沿轴向移位12.53*(10*0.00029)0.036mm，即焦深0.035mm，在焦深范围内，中心与角顶成像将同时清楚。再看一例：0.19 英寸的 DMD，如果最大视场角25，那么 F (0.19*25.4/2)/Tan255.2，因此光轴对成像面的垂值偏差10时，引起 DMD 角顶对中心点沿轴向移位5.2*(10*0.00029) 0.015mm，即焦深0.015mm，在焦深范围内要求MTF0.2，中心与角顶成像将同时清楚。由弥散与对正要求共同确定的焦深由于
35、0.46 英寸情况下，透镜容易对正，因此由弥散确定的焦深允许略放松；但 0.19 英寸情况下，透镜不易对正，因此由弥散确定的焦深应略严，最后有：对手机投影镜头焦深0.015mm。对 0.46 英寸的接受器（分辨率 60lp/mm），焦深0.03mm，MTF20%。手机投影镜头的对正精度（焦深要求）将更难保证，这成为手机投影镜头批量生产的难点之一，为了使手机焦深要求不致过严，F#2；但这会制约手机亮度，因此手机设计的另一难点，是需对各虑色镜进行频谱透过率的定量分析，给出合理的频谱透过率，角度透过率的综合技术指标要求。(4) 全视场传函一致性要求为了各视场传函（即像面各点传函）不致相差过大，应要求
36、各视场传函一致性0.9(10 lp/mm 时) ，MTF0.8(20 lp /mm 时) ，MTF0.5(最大频率时)。(6) 色光传函要求在常用工作条件下，主波长传函 MTF0.45、其它传函 MTF0.35。2 弥散要求MTF 只是象质要求之一，对于 MTF 合乎要求的系统，象质只能说较好，还不能说很好。这是因为在能分辨的鉴别率图案周围，有可能产生拉出的弱光带，影响对比度。客户对此还是比较挑剔的。这个问题主要是由弥散斑的 RMS（弥散散布半径的方均根植）、GEO（弥散散布半径的最大值）共同决定的。好的镜头要求 RMS90%。全视场亮度的一致性，是由视场光能均匀性决定的，它由最大视场能量与中
37、心视场能量比来定义的，其要求如下：投影镜头：视场均匀性80%。舞台投影镜头：视场均匀性70%。照像镜头：视场均匀性50%。说明：视场均匀性70%(舞台投影系统) 是指投影镜头视场均匀性要求，其照明系统的视场均匀性70% ，因此舞台投影系统的总视场均匀性50%，与照像镜头的视场均匀性是一样的。三 畸变要求相对畸变的百分数0.1，否则车边易垂轴串动，使中心偏超差，也会使边缘光圈超差。单镜前后面的同心性约束如下（设单镜的前后面口径H1，H2 ；前后面半径R1，R2 ）：3 公差要求一般情况下焦距1540mm 的成像镜头，中等精度公差分配如下：用 ZEMAX2009 计算公差，蒙特卡罗统计次数取 30
38、00，要求算出的 98概率的 MTF0.15。玻璃材料要求价格参考见“玻璃批次价格表.PDF”光学与理化性能见“玻璃材料性能.xls”五、架构分析方法才来深圳不久，我出了不少 PWC 法的帖子，也解决了些实际镜头设计的问题，直到现在有时在系统的局部组元中还用 PWC 法。但由于深圳工作的高效快节奏，对复杂系统是否可用 PWC 法高效高质量的设计完成呢？答案是否定的，我在工作中 PWC 法的替代工具是架构分析法，它给出各镜设计的合理约束机制，在架构中是逐一对各组元进行分解并分别实体化进行设计的，由于光束的约束的合理性，使优化自动给出的初始结构也是合理的，与CODE V 交互使用，最终都能得到很好
39、的解，整个过程用时极短。为了说明架构分析方法，特出此贴。再说说为什么架构约束能给出好的初解问题，这是因为架构是整体设计的结果，只有各组元合理匹配，顺畅组成一个整体，才能最大限度的满足光学系统各项性能的要求，这样在此架构下的各组元实体化过程，就不会彼此冲突，约束好的结构的产生，因此今后光学设计者的注意力应放在架构合理性的分析与创建上。该贴可以说是整个光学设计指引的灵魂，希望引起大家的重视。在“光学设计指引”中曾提到：“系统原理架构的光学性能把握，是光学设计指引的关键所在”。光学系统的性能要通过系统架构来凸显，系统架构是系统基本组元（用理想透镜来表征）在合理约束下的组合，它使光学设计者易于从总体把
40、握系统特性，并通过约束操作集的优化来验证对系统光学性能的理解是否合理，控制是否到位，方法是否简洁明确和有效。光学系统的架构，不同的系统都有各自的规律，搭建的架构一定要最大限度的，最直观的反映系统特性，在控制计算上建立起的操作集，应层次清楚；架构中各组元间的相互约束和协调，是架构的神经中枢，光学设计者就是要把设计意图通过架构凸显出来，下面就通过 LCOS 照明系统的某一类（共三类）架构的创建，调整，优化，逐步控制系统达到要求的过程，体会一下架构分析控制法在光学设计中的作用。一 架构原理图 1 是贴 2 中的一个 LCOS 聚光系统图。图 1二 架构图分析架构分析需从全局着眼，看看系统有那些特点：
41、1 LCOS 光照效率问题及应对措施图一的架构，在 LCOS 上光照为圆斑，但 LCOS 是个长短边比为 4:3 的矩形，其形状光效4800/7854 61%（本人注： ）（参考图 2）0.61)2(*543r再考虑 LOCS 只能利用偏振光工作，则形状效率 X 偏振效率30.5%，这个效率还不计其它能量损失，因此是非常低的。解决的办法之一就是提高形状效率，有 3 个途径：其一：LCOS 与 LED 近似物像关系（不能完全物像关系，否则 LED 组件的布局间隔会成像到LCOS 上），从而提高形状效率。其二：利用光棒得到无 LED 组件布局间隔的均匀矩形光斑，再用其与 LCOS 成物象关系的特点
42、使形状效率大幅提高。其三：利用复眼使 LCOS 上的光斑的形状效率大幅提高。上面第一种成本最低，但形状效率低于后两个，本例用第一种方法设计 LCOS 聚光照明系统。从架构原理分析得知了 LCOS 为什么会有三大类的照明架构。图 22 改变架构通过架构分析可知，当采用第 1 类方法提高形状效率时，需使 LED 与 LCOS 近似物像关系，可使 LED 成像在 LOCS 后方 2mm 处。3 和色问题LCOS 聚光系统，为了得到宽广的色域，采用三基色的和色方案，也有采用白光的。不同情况下，在 LCODS 上的色光斑都应尽量重合，以得到尽量多的色光重叠区，来提高色光的光能利用率。本例采用白光照明系统
43、，白光也是带有色光的，因此在 LCOS 后 2mm 处的成像，也应尽量减小色差。假定我们投影镜头和照明系统都处在设计初期，因此 PBS 棱镜的设计在照明系统中不考虑投影镜头的问题。4 聚光镜求解由于我们手中只有图 1，下面从此出发求解出各组元的理想焦距近似值。三 架构调整先估算 3 理想透镜焦距值，棱镜材料 Nd 值：在图 3 中，NdSIN16.516/ SIN8.2012 ，图 3 的角度偏差较大，可初步认为 PBS棱镜材料为 H-ZF52（Nd1.85）看图 3，由 ZEMAX 解出第 3 镜焦距13.08mm。图 3看图 4，由 ZEMAX 解出第 2 镜焦距13.6mm。图 4看图
44、5，由 ZEMAX 解出第 1 镜焦距-18.8mm。图 5由图 6，设置 LCOS，光栏设置在 LCOS 上,0W1H 投射角42 图 6LED 阵列为 2X3 个，如图 7：图 7上面解出了各组元的近似焦距，见“系统初态.ZMX”。光路图见图 8，各数据基本吻合（LCOS 光斑高7.5，合乎 LCOS 对焦线顶点尺寸，另外出射光束不是无限远，有一定汇聚度，利于下步将 LED 象聚焦到 LCOS 后 2mm 处）。图 8四 架构调整 2上面得到 ZEMAX 系统架构初态，现在将其聚焦到 LCOS 后方 2mm 处，见“系统初态2.ZMX”图 9由图 9 可以看出架构存在严重问题：1 象方离远
45、心状态相差大，不利与投影镜头匹配。2 0W1H 投射角太大，会被投影镜头拦切去很多能量。这些可通过架构分析来解决。五 合理架构及其分析架构越简单，越便于分析。图 10 是双远心照明的基本架构，其原理见 “双远心架构分析.ZMX ”中的操作集， LED 光能采光角55，PBS 膜的透过角 20（透过率50的角），与其匹配的投影镜头 F#=1.5。由图 10 可见，双远心架构与图 9 相比，合理多了。另外由于采用了 6 个 LED，其对角线高1.9mm，致使光能采集利用率(SIN 55)255，太低了。图 10如果采用 4 个边长0.7mm 的 LED，则对角线高1.06mm( 见图 11)，对应
46、 ZEMAX 文件见“双远心架构分析 2.ZMX”，光能采集利用率 (SIN 69)287 ，这个光能采集利用率是可以接受的。图 11由上可见寻找合理初解的思路，要靠架构分析来实现，只要有合理的光学系统架构，就能指出寻找初解的方向。因此我们寻找专利时，也要观察专利架构是否与我们设计出的架构相符，或者通过拆分专利，放到架构组元中去优化，最后在组合优化得到最终结构。下面介绍架构中各组元的设计：六 PBS 棱镜处聚光镜设计由“双远心架构分析 2.ZMX”可得入瞳数据（参考图 10，然后用 RAID,REAY 操作数探测图 12 的入瞳数据），可得“PBS 处聚光镜设计.ZMX”，见图 12：透镜焦距
47、20.39（略超 17.85 的焦距要求）。图 12七 LED 聚光镜设计设计步骤如下：1 LED 聚光镜拆分注意：这里用到的 LED 架构拆分方法可应用于各类透镜组元的拆分。已知该组元焦距 F2.654(见“双远心架构分析 2.ZMX “)，令拆分成 3 个间隔 1mm的透镜，对 0W1H 光线，使其过每个透镜具有相同的偏折角(通过操作集进行约束，这里特别注意：控制 OW1H 通过各单镜有相同的偏折角，需分两步进行，第一步： 用 RETY 反映出通过各理想透镜角度的正切，是带符号的，第二步用 RAID 控制角度减小量是相等的，由于有第一步控制，在此避免了角度减小量有可能反向的结果)，见“创建
48、 LED 聚光镜三架构.ZMX”。2 架构图图 133 第 3 镜实体化第 3 镜实体化文件见“LED 聚光镜 3 设计.ZMX”，其优化原理见文件的操作集。4 第 1、2 镜实体化手动使 1、2 两理想透镜实体化：手动使两镜焦距接近相等，弯曲方式弯向 LED，且随着远离 LED 逐渐接近对称。观察组合焦距是否接近 2.6，否则使 1、2 镜焦距减小（中心变厚），当组合焦距接近 5 后，不再降低，按 “LED 聚光镜优化.ZMX”操作集进行优化，得图 14：图 14注意：前面分析当对角线高 1mm（4 个 0.7mm 的 LED）时，效率87，对角线高2mm（6 个 1mm 的 LED）时，效
49、率55，这是在理想系统中，但在大象差系统中，会有较大出入，究竟如何？要等到系统组合优化完后才知道，因此先取此解。八 组合设计1 全反光路优化观察“LED 聚光镜优化.ZMX”、“PBS 处聚光镜设计.ZMX”、“双远心架构分析2.ZMX”得到组合系统，见“ 全系统.ZMX ”，优化后得“全系统 2.ZMX”见图 15：图 152 全正光路优化将图 15 反 180得“全系统 3.ZMX”。. 59 DMD 对角线长25.4*0.59 15mm，长边 X 短12X9 mm。观察 TracePro 中 DMD上光斑图（图 16），尺寸14.5X8mm ，比 DMD 尺寸略小，形状基本相附，四周均匀性略欠，还需进一步校正。图 163 利用理想光路数据进行优化由图 16 可见问题主要发生在边缘光线聚焦不够，且尺寸不够大。再观察图 10，将其反光路，再只留 1W，取出象方所有光线弥散值。作为优化函数，载入“
